Cost, volumetric energy density, and fast-charging projections of Na-ion and Li-ion batteries from a European perspective

私たちの道路を徐々に変えつつある電気自動車は、単一の極めて重要なコンポーネント、すなわちバッテリーに依存しています。10年以上にわたり、業界はリチウム、コバルト、ニッケルといった特定の金属で作られたセルにエネルギーを蓄えるリチウムイオン電池によって支配されてきました。これらの電池は強力で効率的ですが、高価で、時には調達が困難な材料に依存しています。世界が輸送の電化を加速させる中、科学者やエンジニアはバックアッププランの探索を開始しました。有望な代替案の一つは、ナトリウムイオン電池です。希少なリチウムを使用する代わりに、これらのセルは塩に含まれる一般的な元素であるナトリウムを用い、鉄やマンガンといった他の豊富な金属と組み合わせます。その考え方は、もしどこにでもある安価な材料から電池を作ることができれば、より少ない費用で車を動かせるようになるかもしれないというものです。しかし、材料が安いからといって、最終製品が必ずしも優れているとは限りません。真のテストは、これらの新しい電池が、現在のリチウム版が取って代わろうとしているコストを実現しつつ、長距離を走行できるほどのエネルギーを蓄え、忙しい生活に適合するほど迅速に充電できるかどうかにあります。

ドイツのカールスルーエ工科大学とフォルクスワーゲンの研究チームは、厳密なコンピュータベースの調査によって、この問いに答えを出そうと決めました。彼らは研究室で物理的な電池を一つも製作したわけではありません。代わりに、製造プロセス全体の詳細なデジタルモデルを構築しました。彼らは、さまざまな材料と生産方法を組み合わせ、現実世界でどのように機能するかを確認するために、約4,500種類の異なる電池セルの設計をシミュレーションしました。彼らの目標は、「製造コスト」、「一定の空間にどれだけのエネルギーを蓄えられるか」、そして「どれほど速く充電できるか」という、競合する3つの要因の間の完璧なバランスを見つけることでした。彼らは特に2種類の電池に焦点を当てました。現在の標準であるLFPと呼ばれるリチウムベースの材料を使用したものと、層状の金属酸化物とハードカーボン材料を負極に使用する、新たな挑戦者であるナトリウムイオン電池です。

研究者たちは、地理が結果にどのように影響するかを理解するために、3つの生産シナリオにわたってシミュレーションを実行しました。すべてを中国で製造するシナリオ、原材料は中国から調達するが最終組み立ては欧州で行うシナリオ、そしてサプライチェーン全体を欧州内に構築するシナリオをモデル化しました。このアプローチは、エネルギー、労働力、および原材料のコストが地域によって大きく異なるため、非常に重要でした。結果は、明確かつ、いくぶん複雑な状況を描き出しました。シミュレーションによれば、ナトリウムイオン電池は、炭酸リチウムの価格が大幅に上昇するか、あるいはナトリウム電池がさらなる改良を遂げた場合にのみ、最高の性能を持つリチウムイオン電池と同等のコストにすることが可能です。リチウム価格が下落している現在の市場においては、ナトリウム電池には自然なコスト上の優位性はありません。

研究者がシミュレートされたセルの物理的性能を見たとき、トレードオフは避けられないものでした。ナトリウムイオン電池を競合できるほど安価にするためには、設計において空間と速度を犠牲にする必要がありました。ナトリウムセルは、そのリチウムのライバルと同等のコストを実現することはできましたが、同じ容積により多くのエネルギーを詰め込むことはできませんでした。これは、これらの電池を使用する車が、同じサイズのバッテリーパックに対して、より重くなるか、あるいは走行距離が短くなることを意味します。さらに、充電時間も長くなりました。ナトリウム電池の負極に使用されるハードカーボンと呼ばれる材料は、その構造ゆえに、リチウム電池に使用されるグラファイトと比較してイオンが素早く移動するのが難しいという性質を持っています。これが急速充電中のボトルネックとなり、損傷を避けるために充電速度を遅くせざるを得なくなります。研究では、高度な設計を用いたとしても、ナトリウム電池は現代の電気自動車ドライバーが期待する急速充電速度に到達するのに苦労することが判明しました。

生産場所は、最終的な数値に大きな役割を果たしました。すべてのシミュレーションにおいて最も手頃な選択肢は、サプライチェーン全体を中国で製造し、完成したセルを欧州に輸入することでした。原材料を輸入しつつも、電池セルの最終組み立てを欧州に移すと、コストは約10〜14％上昇しました。もし欧州が、すべての材料を現地で調達・加工して完全に独立したサプライチェーンを構築しようとすれば、コストは25％近く跳ね上がります。この高いコストは、欧州におけるエネルギーと労働力の価格の高さ、およびこれらの特定の材料に関する確立された産業ネットワークの欠如によって引き起こされます。研究は、欧州が中国からの輸入品とコスト面で競うためには、より高い価格を受け入れるか、あるいは自らの生産コストを劇的に削減する方法を見つける必要があると示唆しています。

研究者たちは、どこに資金が費やされているかを見極めるために、材料自体についても詳細に調査しました。彼らは、ハードカーボンが現在、主要なコスト要因であることを発見しました。ハードカーボンはしばれてグラファイトの安価な代替策として宣伝されていますが、今回のシミュレーションで使用された特定のタイプのハードカーボン（東南アジアから輸入されるココナッツ殻に由来するものが多い）は、加工や精製にコストがかかります。シミュレーションによれば、欧州または中国が、木材廃棄物や竹といったより安価な国内資源からハードカーボンの大規模な現地生産を実現できない限り、ナトリウム電池のコスト優位性は実現しないままとなるでしょう。さらに、ナトリウム電池の正極にはニッケルが使用されており、これは従来の電池のリチウムと同様に価格変動の影響を受けやすい金属です。これは、ナトリウム電池が原材料の価格変動の影響を受けないという約束が、完全には真実ではないことを意味します。単に、一つの高価な金属を別の高価な金属に置き換えているだけなのです。

こうした障害はあるものの、研究はナトリウムイオン技術の未来を否定しているわけではありません。シミュレーションによれば、もしリチウムの価格が数年前のような水準まで再び上昇すれば、ナトリウム電池は即座に、より安価な選択肢となります。さらに、研究者たちは、ナトリウムセルのエネルギー密度（より少ないスペースにより多くの電力を蓄えること）を向上させれば、特に生産コストの高い欧州の工場において、より競争力が高まることを特定しました。研究は、欧州が既存の他の種類の電池製造の専門知識を活用し、それらのラインをナトリウムイオン生産に適応させることで、この技術において足がかりを得られる可能性があると示唆しています。しかし、この道を進むには、多額の投資と、この技術が現在のリチウム標準の完璧な「そのまま置き換え可能な製品」ではないという事実を受け入れる姿勢が必要です。

結局のところ、この研究は、今後10年間の電池開発に向けた現実的なロードマップを提供しています。それは、ナトリウムイオン電池が将来のエネルギーミックスにおいて実行可能であり、必要な要素であることを裏付けていますが、コストを即座に下げたり性能を向上させたりする魔法の解決策ではないことも裏付けています。それらは、異なる強みと弱みを持つ、異なるツールなのです。この技術が成功するためには、メーカーはハードカーボンの生産における課題を解決し、これらのセルが充電する速度を向上させなければなりません。それらのエンジニアリング上の問題が解決されるまでは、リチウムイオン電池が支配的な勢力であり続け、ナトリウムイオンは、市場の経済状況が変化するか、あるいは技術が成熟してその差を埋める準備ができるのを、静かに待ち構えているのです。この研究は、電池技術の世界には近道はなく、コスト、エネルギー、そして速度の間にある慎重なトレードオフがあるのだということを思い出させてくれます。